電動代步車人機電綜合系統(tǒng)聯(lián)合仿真與分析【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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中文摘要 I 摘要 近年來，由于交通的擁擠、油價的持續(xù)上漲，以及老年人口比例的逐年增加，使得電動車的發(fā)展非常迅速。為了開發(fā)出新型的電動代步車，虛擬樣機的仿真技術(shù)已成為一個重要的研究課題。 為了優(yōu)化電動代步車的結(jié)構(gòu)及設(shè)計尺寸、調(diào)整其控制參數(shù)，本文采用了計算機虛擬仿真技術(shù)，同時依靠軟件間的協(xié)同合作平臺，建立了電動代步車人機電綜合系統(tǒng)模型，并對電動代步車的動態(tài)特性進行了仿真分析。 本文的研究主要內(nèi)容包括： 1 基于多體動力學(xué)相關(guān)理論，在 件中分別建立了電動代步車的輪胎、人體、座 椅、柔性體支架、路面譜等子模型，并在 算環(huán)境下，通過添加約束的方式，把這些子模型組成一個整體，從而建立了電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型。 2 在 臺上建立電動代步車永磁無刷直流電機模型，并對電機的動力性能進行測試。通過軟件間的接口，搭建了 臺。將生成的電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型與電機模型在此平臺上進行聯(lián)合仿真，從而建立了電動代步車人機電綜合系統(tǒng)模型。 3 利用 件對電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型進行動態(tài)特性仿真分析。電動代步車操縱穩(wěn)定性仿真分析內(nèi)容包括： ① 、爬坡性能仿真分析、 ② 、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析； ③ 、轉(zhuǎn)向回正性仿真分析； ④ 、蛇形仿真分析；電動代步車平順性仿真分析內(nèi)容包括： ① 、隨機路面的仿真分析； ② 、脈沖路面的仿真分析；③ 、凹坑路面的 仿真分析； ④ 、臺階路面的仿真分析。并對仿真結(jié)果進行分析和總結(jié)。 4 建立電動代步車驅(qū)動系統(tǒng)控制方案，并對電動代步車加速和差速轉(zhuǎn)向進行聯(lián)合仿真，調(diào)解 數(shù)，觀察 制效果，驗證控制方案的可行性。 5 針對仿真過程中遇到的問題進行了歸納與總結(jié)，并提出了改進意見與展望。 本文的仿真分析與研究，對電動代步車產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的推進作用，其分析計算結(jié)果對電動代步車樣機的調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義，所提出的人 機電綜合系統(tǒng)的仿真方法對產(chǎn)品的設(shè)計與參數(shù)的優(yōu)化具有很強的參考價值。 關(guān)鍵詞： 電動代步車；人機電綜合系統(tǒng)；動態(tài)特性； 合仿真 of is of In to a of an In to of in on of of of of 1 on of an 2 of of by of to of 3 of of of ① ② ③ ④ of ① ② ④ of 4 of of of ID 英文摘要 of 5 in of of of in a in of a to of of in a to of of V 目 錄 中文摘 要 ......................................................................................................................................... I 英文摘 要 ........................................................................................................................................ 緒論 .............................................................................................................................................. 1 文研究背景與意義 ............................................................................................................... 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來發(fā)展趨勢 ................................................................................... 1 動代步車國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀 ........................................................................................... 1 動代步車未來發(fā)展趨勢 ............................................................................................... 3 文研究的主要方法和內(nèi)容 ................................................................................................... 4 2 電動代步車機械系統(tǒng)模型的建立與分析 .............................................................. 7 剛體動力學(xué)理論概述 ........................................................................................................... 8 胎模型的建立與參數(shù)的選取 ............................................................................................... 9 面譜的建立 ......................................................................................................................... 11 3 電動代步車人椅與電機控制系統(tǒng)模型建立與分 析 ....................................... 15 ........................................................................................... 15 體動力學(xué)模型的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置 ............................................................................. 15 椅系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建與分析 ................................................................................. 17 動代步車人機系統(tǒng)模型的建立與支架的模態(tài)分析 ......................................................... 20 架柔性體中性文件的建立 ......................................................................................... 20 動代步車動力學(xué)模型簡化與建立 ............................................................................. 22 機系統(tǒng)模型的建立與參數(shù)選取 ................................................................................. 22 動代步車驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型的建立 ................................................................................. 24 電耦合仿真模型的原理 ............................................................................................. 24 磁無刷直流電機仿真模型的建立 ............................................................................. 25 樞電壓控制的 真模型的建立 ....................................................... 27 合仿真模型 ......................................................................................... 30 合仿真模型的創(chuàng)建過程 ................................................................. 31 合仿真模型的調(diào)試方法及注意事項 ......................................................................... 34 合仿真模型的封裝 ..................................................................................................... 34 目 錄 V 4 電動代步車人機電綜合系統(tǒng)動態(tài)特性仿真與分 析 ....................................... 37 動代步車操縱穩(wěn)定性仿真分析 ......................................................................................... 37 坡性能仿真分析 ......................................................................................................... 37 態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析 ......................................................................................................... 39 向回正性能仿真分析 ................................................................................................. 43 形仿真分析 ................................................................................................................. 45 動代步車平順性仿真分析 ................................................................................................. 47 機路面的仿真分析 ..................................................................................................... 47 沖路面的仿真分析 ..................................................................................................... 51 坑路面的仿真分析 ..................................................................................................... 53 階路面的仿真分析 ..................................................................................................... 56 章小結(jié) ................................................................................................................................. 57 5 電動代步車人機電綜合系統(tǒng)的驅(qū)動聯(lián)合仿真分 析 ....................................... 59 制及參數(shù)調(diào)整方法 ...................................................................................................... 59 制方法 ................................................................................................................... 59 數(shù)調(diào)整方法 ........................................................................................................... 60 動代步車 制的速度仿真分析 ................................................................................ 60 動代步車 制的差速轉(zhuǎn)向仿真分析 ........................................................................ 67 章小結(jié) ................................................................................................................................. 71 6 總結(jié)與展望 ............................................................................................................................ 73 文總結(jié) ................................................................................................................................. 73 一步的工作展望 ................................................................................................................. 73 致 謝 ............................................................................................................................................ 75 參考文獻 ....................................................................................................................................... 77 1 緒論 1 1 緒論 文研究背景與意義 近年來小汽車不斷進入千家萬戶，我國同世界其它發(fā)達國家一樣，汽車社會時代到來的同時，也產(chǎn)生了一系列重大的社會問題：各大城市交通擁堵、停車困難，交通事故頻發(fā)；廢氣排放和噪聲污染嚴重；原油價格不斷升高等，面向未來，安全、節(jié)能、環(huán)保將仍然是汽車研究的三大主題。因此交通運輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確指出：建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會是我國一項長期的戰(zhàn)略任務(wù)。 汽車輕量化是綜合實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一。研究表明，約 75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量就可以降低油耗以及排放，汽車質(zhì)量每下降 10%，油耗下降 8%，排放下降 4%。汽車質(zhì)量的減少，會減小動力及其傳動系統(tǒng)的負荷，因此可降低油耗，油耗下降又意味著二氧化碳（ 氮氧化物（ 有害氣體排放的下降。由此可見，汽車輕量化 [1]意義明顯，受到業(yè)界和政府高度重視，是汽車研究發(fā)展的重要方向。 汽車微型化又顯然是實現(xiàn)輕量化的重要途徑。另外，微型化可減少迎風(fēng) 面積，降低汽車行駛時的空氣阻力，能節(jié)省大量材料以及行車和駐車的交通空間。所以，根據(jù)用途不同，對乘坐和載運空間需求較小的交通場合應(yīng)該盡量減小汽車尺寸，以減少浪費、實現(xiàn)節(jié)能減排。隨著政府對節(jié)能減排的政策調(diào)控力度不斷增強、城市化交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進一步推進和完善、人們環(huán)保意識提高和消費觀念進步，可以預(yù)見：未來私人交通領(lǐng)域中，當(dāng)需要家人集體出行時，將采用多人座轎車，而在中青年人上下班出勤和老年人、家庭主婦的生活通行時，則采用雙人甚至單人座的超微型小汽車。 因此，未來輕量化、微型化汽車發(fā)展具有很大的市場空間，國家政府也大 力支持和倡導(dǎo)微型汽車的研究發(fā)展 [2]。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來發(fā)展趨勢 動代步車國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀 電動代步車在國外已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史，在電動代步車主要零部件的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵零部件動力學(xué)分析、不同結(jié)構(gòu)類型的分析以及整車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究等方面，計算機的虛擬仿真技術(shù)的運用已經(jīng)相當(dāng)深入和廣泛，積累了豐富的經(jīng)驗和大量的數(shù)據(jù)資料，并成功地應(yīng)用到了電動代步車產(chǎn)品的開發(fā)中，使得所生產(chǎn)的電動代步車在結(jié)構(gòu)的可靠性和對乘員的保護方面都處于領(lǐng)先水平。最早研究電動代步車 的 法國人把 電動代步車 分為 A、 B、 C 三類 [3]，室內(nèi)使用 為 A 類 ， 2 室內(nèi)外兩用 為 B 類，室外使用為 C 類。 將 操縱 加 速度、速度、制動 、 動力學(xué)穩(wěn)定性 和 碰撞損傷 進行 綜合考慮 。 現(xiàn)在 ， 采用最新的電動機直接驅(qū)動 的 法國 動代步車 ，操縱 起來 更加 輕巧、 靈活，并且 實現(xiàn)大的輕量化設(shè)計 。在整車設(shè)計上，安裝了可調(diào)裝置， 電動車 可以在高度、長度、寬度上都可以 分別 進行 調(diào)節(jié)，并且可以折疊，使代步車的存放、攜帶變得簡單 、方便 。 當(dāng)我國發(fā)明家剛剛邁入為老年人生產(chǎn)舒適、方便的代步工具的初步階段 [4]時，國外的技術(shù)已經(jīng)達到相當(dāng)高的水平，例如： 2004 年 出的新產(chǎn)品88車擁有全球首創(chuàng)四輪避震系統(tǒng)，并榮獲世界專利；充滿創(chuàng)意的人性化設(shè)計包括：車輛可自轉(zhuǎn) 360 度、左右邊操控組可相互對調(diào)等；在開發(fā)制造車身的過程中完全秉承了人機工程學(xué)的原理；由于采用內(nèi)建式充電器，因此，為用戶提供了非常順暢、平穩(wěn)的行車速度 [5]。 在研究方法上，在汽車行業(yè)廣泛運用多體動力學(xué)和 法，成為了電動代步車產(chǎn) 品開發(fā)最有力的工具之一。 1994 年亞利桑那大學(xué)的 T. Y. A. 表了便于求解大變形體動力學(xué)問題的新方法 [6]。西班牙的 A. 設(shè)計了為電動輪椅車提供在翻越樓梯和其他障礙時所需動力的前輪機電系統(tǒng)，試驗表明：該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和實用性 [6]。 賓夕法尼亞大學(xué)的 . 統(tǒng)地分析了各種電動代步車技術(shù)的 發(fā)展前景 ，創(chuàng) 建了為了實現(xiàn)某種性能而消耗系統(tǒng)質(zhì)量的模型。對個人電動代步車的開發(fā)與改進具有極高的指導(dǎo)意義 [7]。 在我國，臺灣地區(qū)的電動代步車已有幾十年的發(fā)展歷史，不但擁有相當(dāng)多的技術(shù)人才，而且加工制造技術(shù)嫻熟，對于電動車的發(fā)展來說，已經(jīng)具有良好的前提條件。此外，臺灣生產(chǎn)的小型馬達已達到國際先進水平，再加上電子和電機等配套產(chǎn)業(yè)的崛起，在發(fā)展小型電動車方面潛力十足。 了開發(fā)各種電動代步車，建立了人機工程學(xué)數(shù)據(jù)庫，表現(xiàn)出了較高的技術(shù)水平和人文精神[8]。 大陸地區(qū)的電動代步車開發(fā)起步較晚，主要對引進的產(chǎn)品進行測繪、模仿等改進手段。相對來說，深入研究電動代步車工作和文獻較少。要想早日趕上國外同行的步伐，最行之有效就是采用 法。李勇，來自昆明理工大學(xué)。他帶領(lǐng)的團隊對老年人用電動代步車的外形設(shè)計進行了詳細研究，并提出了各種方案并對比了它們的優(yōu)劣 [9]。 柯尊鳳 ，來自北京科技大學(xué)。她帶領(lǐng)的隊伍采用虛擬樣機方法將某電動代步車的動力學(xué)特性 [10]進行分析改進。舒紅宇，重慶大學(xué)教授，他和他的團隊在電動代步車領(lǐng)域研究多年，先后申請了十幾項發(fā)明專利 [11] [12]，并用虛擬樣機仿真的方法 [13] [14]，對電動代步車的動力學(xué)特性進行分析，并將其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，然而，目前電動代步車的計算機仿真在國內(nèi)的研究 還遠遠不夠。雖1 緒論 3 然在電動代步車的外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件的動力學(xué)研究和計算機仿真模擬方面初步開展了一些工作，也取得了一些成績，但是對電動代步車人機電綜合系統(tǒng)的動態(tài)特性聯(lián)合仿真分析方面做的比較少，。也不夠全面，這方面與國外的差距依然很大。 動代步車未來發(fā)展趨勢 人口老齡化是當(dāng)今社會所面臨的最嚴峻的問題之一，隨著中國人口的不斷增長，老年人在總?cè)丝谥兴嫉谋壤苍诓粩嘣黾印?電動代步車作為一種專為老年人及殘疾人設(shè)計的輕便休閑代步工具，已經(jīng)快速發(fā)展起來， 具有非常好的發(fā)展前景 [15] [16] [17]。 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得全球老齡化人口比重持續(xù)增長， 老 年 人 的 身體機能衰老 以 及 經(jīng)常被 慢性疾病 困擾 ， 從而愈加依賴于代步工具。這極大地帶動了市場對電動代步車的需求。例 如 ， 美國市場 是電動代步車 銷售 量 最高的國家 ，就是 因 為他們 有較高的 保健支付體系。許多歐洲國家醫(yī)療保 健制度 比較完善 ， 人們的生活水平較高，代步車的銷量也比較好 。 由于電動代步車不僅適用于老年人，還適用于有輕度殘疾 的人、行動不便者等群體，如孕婦和小孩等，因此電動代步車相對其它電動車產(chǎn)品來說，能更快速的占據(jù)市場。在此背景下，電動代步車產(chǎn)品的發(fā)展將越來越受到世界的注目和青睞。 另外， 隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展、安全保障設(shè)施不完善、道路擁擠，導(dǎo)致意外事故發(fā)生頻繁，殘疾人人數(shù)也隨之增多。同時， 21 世紀初，作為作為一個發(fā)展中國家卻較早的進入老齡化社會 。 據(jù) 國家相關(guān)部門的研究與預(yù)測 ， 20 世紀末，我國 人口 老齡 化的人數(shù) 已突破 了 10%， 預(yù)計未來 40 年內(nèi) ，我國 人口 老齡化 的人數(shù)將 在 30%左右 ， 達到人口 老齡化 的頂峰。因此，針對 老年人和殘疾人這一非 常特殊、龐大的群體，更應(yīng)該得到社會更多的關(guān)愛，以便享受高質(zhì)量的生活。 因此，迫切需要為他們提供一種操作簡便、可靠性高的代步工具。 從經(jīng)濟發(fā)展角度出發(fā)，歐美日等發(fā)達國家對電動代步車的需求增加，使得我國電動代步車出口量也逐年升高，近五年的復(fù)合平均增長率達 65%以上，成為我國電動車輛出口主力。由于電動代步車的使用者多為殘疾人或老年人，因此必須重視車子的穩(wěn)定性及安全性，從而提高國產(chǎn)電動代步車的品質(zhì)和市場競爭力。 因此，汽車電動化是世界汽車發(fā)展的主流，具有廣闊研究發(fā)展前景。汽車電動化技術(shù)也更適宜于汽車的輕量化與微型化。 一方面，尤其是電機驅(qū)動的電動小汽車，由于沒有笨重的內(nèi)燃式發(fā)動機及其變速傳動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、空間設(shè)計靈活，更容易實現(xiàn)輕量化和微型化，另一方面，由于電池容量和一次充電能量以及高電壓、大電流等的限制，要實現(xiàn)大功率汽車運行要求，目前的汽車電動化技術(shù)還存在較大困難。正因如此，世界各國近年來在各種汽車展覽會上不斷推出各種 4 結(jié)構(gòu)簡捷新穎的超微型電動概念車型，其中，特別是專為 老年人與殘疾人設(shè)計的電動代步車備受矚目。 正因為電動代步車輕量化與微型化的特點，將會是未來城市化道路交通工具、家庭小轎車族的重要成員之一。但是，也正因為 其輕量化、微型化，在汽車運動穩(wěn)定性和行車安全性方面將會面臨新的難題。 這是因為： 一旦人體質(zhì)量和大小尺度均接近甚至大于汽車以后， 人體和汽車間的動力學(xué)行為耦合作用就被顯現(xiàn)出來，人體的力學(xué)特性、乘坐姿態(tài)的變換行為將對汽車行駛的動力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響和作用。 文研究的主要方法和內(nèi)容 本文研究的主要目的是對人機系統(tǒng)的電動代步車的操縱穩(wěn)定性、平順性等動態(tài)特性方面進行仿真分析，對其運動穩(wěn)定性和行車安全性等方面做出合理的評價；建立電動代步車人機電綜合系統(tǒng)，并對其加速、差速轉(zhuǎn)向特性進行聯(lián)合仿真分析，調(diào)整 制參 數(shù)，得到最佳控制效果。 本文研究的主要內(nèi)容包括： ① 基于多體動力學(xué)相關(guān)理論，在 件中分別建立了電動代步車的輪胎、人體、座椅、柔性體支架、路面譜等子模型，并在 算環(huán)境下，通過添加約束的方式，把這些子模型組成一個整體，從而建立了電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型。 ② 在 臺上建立電動代步車永磁無刷直流電機模型，并對電機的動力性能進行測試。通過軟件間的接口，搭建了 臺。將生成的電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型與電機模型 在此平臺上進行聯(lián)合仿真，從而建立了電動代步車人機電綜合系統(tǒng)模型。 ③ 利用 件對電動代步車人機剛?cè)釞C械系統(tǒng)模型進行動態(tài)特性仿真分析，并對仿真結(jié)果進行分析和總結(jié)。 ④ 建立電動代步車驅(qū)動系統(tǒng)控制方案，并對電動代步車加速和差速轉(zhuǎn)向進行聯(lián)合仿真，調(diào)解 數(shù)，觀察 制效果，驗證控制方案的正確性、準確性，為研發(fā)控制器提供有效數(shù)據(jù)。 論文所使用的研究方法如下： 靜力學(xué)分析是指系統(tǒng)在不受外載荷作用的情況下的力平衡分析，當(dāng)系統(tǒng)受到外界載荷作用時，就就要對系統(tǒng)進行動力學(xué)分析。機械系統(tǒng)在做靜力學(xué)、動力 學(xué)、運動學(xué)分析方面常用的軟件主要有：以剛體為主要研究對象的 件；以柔性體為主要研究對象的 軟件。 前者分析對象以剛性體模型為主，后者以柔性體模型為主，在工程實際中，1 緒論 5 為了研究方便，一般的機械機構(gòu)做運動學(xué)分析時一般不考慮其彈性變形，將構(gòu)建都視為剛體。但實際實際過程中，由于機構(gòu)往往受到較大的載荷作用，在加速或減速運動中，由于慣性的作用，可能某些構(gòu)件會產(chǎn)生較大的彈性形變，為了能夠真實的反映出機械系統(tǒng)的動態(tài)性能，往往將大形變的構(gòu)件建立為彈性體，否則的話可能會造成很大的誤差，機械系統(tǒng)的動態(tài) 特性也影響著各構(gòu)件的力學(xué)性能及內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布。由于 件在參數(shù)建模、有限元網(wǎng)格劃分、控制系統(tǒng)建模上比較麻煩。所以在做這方面分析時，一般選擇在有限元前處理和求解上功能比較強大的 件，因此，為了使仿真結(jié)果更真實可靠，往往將 件聯(lián)合使用，大大提高工作效率。 在控制方面， 控制功能強大，但在有限元網(wǎng)格劃分與機械系統(tǒng)仿真等方面卻很不方便。 有雙向數(shù)據(jù)接口，可以把建立好的控制系統(tǒng)導(dǎo)入到 ，進行機械系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析。將不 同軟件的優(yōu)點相結(jié)合，能快速有效的驗證控制算法。 為了系統(tǒng)能順利的進行仿真，必須要將各軟件聯(lián)合使用。 ① 數(shù)據(jù)接口： 構(gòu)件進行有限元網(wǎng)格劃分，生成模態(tài)中性文件（ 件），可以通過 件導(dǎo)入 而就可以對構(gòu)件進行模態(tài)分析，提高系統(tǒng)仿真的精度。 ② 合仿真技術(shù)：利用 塊連接在一起進行聯(lián)合仿真，此時受控的物理模型是可以是線性和非線性的。 模塊可以模型轉(zhuǎn)化為 C++或者 碼后導(dǎo)入作為廣義狀態(tài)方程。這樣仿真就完全在 進行了。這種方法最大的好處就是機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的積分求解器、積分步長、相對誤差、絕對誤差可以設(shè)為一致，避免了由于積分步長不一致帶來的錯誤，大大提高了仿真的效率。 本文用 件 建立了新型電動代步車多體動力學(xué)仿真模型，在創(chuàng)建了控制模型，兩個軟件通過 口進行聯(lián)合仿真，在多種路況下驗證控制 算法，確定控制參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終達到滿意效果。 6 2 電動代步車機械系統(tǒng)模型的建立與分析 7 2 電動代步車機械系統(tǒng)模型的建立與分析 計算多體系統(tǒng)動力學(xué)分析時，首先提供一個便于建立多體系統(tǒng)的力學(xué)模型的界面，并在系統(tǒng)內(nèi)部由多體系統(tǒng)動力學(xué)模型得到動力學(xué)數(shù)學(xué)模型；再通過積分求解器求解數(shù)學(xué)模型，在求解器的選擇上，效率必須要高、穩(wěn)定性必須要好，并要求其具有廣泛的適應(yīng)性；最后，還要有豐富的顯示手段來查詢求解結(jié)果。其中，最關(guān)鍵的部分是自動建模技術(shù)和求解器設(shè)計。 自動建模技術(shù)是指通過多體系統(tǒng)力學(xué)模型自動建立動力學(xué)數(shù)學(xué)模型過程的技術(shù)，設(shè)計求解 器時則需要結(jié)合系統(tǒng)的模型，求解時則需要用到特定的動力學(xué)算法。 一個機械系統(tǒng)，從最初建立幾何模型到建立動力學(xué)模型，到對動力學(xué)模型的求解，到得到最后的分析結(jié)果，其整個流程如 圖 示。 圖 體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解的一般過程 計算多體系統(tǒng)動力學(xué)分析的整個過程之中，建模和求解是兩個最為主要的組成部分。建模主要是指數(shù)學(xué)建模和物理建模的過程，物理建模是指通過物體的三維幾何模型建立物體的物理模型的整個過程，數(shù)學(xué)建模是指在建立好物理模型的基礎(chǔ)之上，用物理模型建立數(shù)學(xué)模型的整個過程。幾何模型的建立可以利用動力學(xué)分析系統(tǒng)的幾何模塊，也可以利用通用的 3D 幾何造型軟件。模型建立后，可以在動力學(xué)分析軟件中對其施加動力學(xué)約束、驅(qū)動約 束、力元等物理模型中所必須的要素，從而形成物理模型以表達系統(tǒng)力學(xué)模型。在建立物理建模的整個過程中，有時要通過運動學(xué)的約束和物體最初的位置等條件對建立的幾何模型進行裝配。對物理模型采用笛卡爾坐標或拉格朗日坐標建模方法，應(yīng)用自動建模技術(shù)， 8 生成各系統(tǒng)運動方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用求解器中的靜平衡、動力學(xué)、運動學(xué)或逆向動力學(xué)的分析算法，迭代求解，得到仿真結(jié)果。聯(lián)系設(shè)計目標，對求解結(jié)果再進行分析，從而反饋到物理建模、幾何建模過程，如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。 剛體動力學(xué)理論概述 虛擬樣機比較全面的體現(xiàn)了多種不同的技術(shù)，多體動力學(xué)、運動學(xué)模型的理論及其技術(shù)的應(yīng)用都是它的核心部分。多體動力學(xué)由多剛體動力學(xué)和多柔體動力學(xué) [18]兩部分組成，是一門用來研究多體運動規(guī)律的科學(xué)。 研究多剛體動力學(xué)的主要方法 [19]有： ① 旋量方法 旋量方法也被稱作牛頓 ?歐拉法，其主要特點是引入旋量這一概念，將矢量與矢量矩相結(jié)合，并利用對偶數(shù)作為工具，用簡明的表達方式表達 N／ E 方程，從而使其在由開、閉鏈空間組成的機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析中得到了十分廣泛的應(yīng)用 ② 拉格朗日方程法 多剛體系統(tǒng)由于在建立動力學(xué)方程時十分復(fù)雜，采用 標特別困難，而采用笛卡兒廣義坐標就要相對方便的多，不論是對于多余坐標的完整約束系統(tǒng)，還是對于多余坐標的非完整約束系統(tǒng)，一種比較規(guī)范的處理方法是用帶乘子的拉氏方程處理。導(dǎo)出的以笛卡爾廣義坐標為變量的動力學(xué)方程，是與廣義坐標數(shù)目相同的帶乘子的微分方程，還需要補充廣義坐標的代數(shù)約束方程才能封閉。 ③ R?W 方法 美國的 R． L． 授與德國的 J． 授提出 R?W 方法，是分析多剛體系統(tǒng)較為普遍的方法。該方法的主要是利用數(shù)學(xué)工具和圖論的概念來闡述多剛體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，把剛體間的相對位移選做廣義坐標，推導(dǎo)出普遍形式的動力學(xué)方程適合多于任意的剛體系統(tǒng)。 ④ 凱恩方法 凱恩方法是用廣義速率描來述系統(tǒng)的運動情況，根據(jù)達朗貝爾原理創(chuàng)建動力學(xué)方程，并把矢量力與達朗貝爾慣性力投影到基矢量方向，從而消除掉理想的約束力。 ⑤ 變分方法 變分方法是與凱恩方法不同的另一種全新分析方法，變分方法的基本原理是高斯最小拘束原理。該方法善于與控制系統(tǒng)的優(yōu)化相結(jié)合來綜合分析，而且因為其不受鉸約束數(shù)目的影響，可以用于有多個閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)。 2 電動代步車機械系統(tǒng)模型的建立與分析 9 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論的優(yōu)點： ① 通用性強，應(yīng)用廣泛，不同類型的復(fù)雜系統(tǒng)都能用同一個方程式進行分析。只需簡單的操縱計算機就能完成建模。 ② 對于大位移的構(gòu)件也可以用該理論分析計算，能夠很好的解決非線性的問題，使計算結(jié)果更理想。 ③ 模型精度高，只需對計算機進行操作，系統(tǒng)就能生成多剛體動力學(xué)的模型，所以不必考慮推導(dǎo)公式的難易程度，所以能夠建立準確的動力學(xué)方程，使仿真結(jié)果更符合實際。 胎模型的建立與參數(shù)的選取 輪胎是電動代步車重要組成部件，它的基本作用是支撐整車質(zhì)量，傳遞制動力矩和驅(qū)動力矩，輪胎必須具有諸如低滾動阻力、耐久性、抗磨性、安全性等各種各樣的性能和特點，從而保證車與路面的良好附著性能，保證車的正確的行駛方向，此外還有緩沖減震的作用，減少沖擊，衰減振動。另外，由于輪胎的不均勻性以及輪胎的不平衡性 ，在車行駛過程中也會產(chǎn)生振動，因此，輪胎模型建立和參數(shù)的選取至關(guān)重要，也是進行電動代步車動態(tài)特性仿真分析的十分重要的環(huán)節(jié)。 供如下幾種輪胎模型： 胎模型、 胎模型、 胎模型、 胎模型和用戶自定義輪胎模型 [20][21]，其中 胎模型及用戶自定義輪胎模型是解析模型 ;胎模型、胎模型為試驗?zāi)Ｐ汀? 每個輪胎模型的優(yōu)缺點及使用范圍如 表 示： 表 的輪胎模型 胎類型 所需參數(shù) 應(yīng)用 本輪胎特性 操縱性、純滑移 本輪胎特性 操縱性、復(fù)合滑 移 驗參數(shù) 操縱性、純滑移 驗參數(shù) 操縱性、復(fù)合滑移 用戶自定義 用戶設(shè)定 用戶確定 基于以上幾種輪胎模型的優(yōu)缺點，本文最終選取的是 胎模型，在， 胎模型是在下面四個假設(shè)之下的： 10 ① 與路面的接觸區(qū)域為矩形 ② 忽略外傾角對輪胎力的影響 ③ 忽略輪胎松弛效應(yīng)的影響 ④ 在接觸區(qū)域內(nèi)壓力均勻分布 在輪胎與路面接觸的過程中，采用了以下兩種方法，當(dāng)選擇三維路面時，采用三維方法；當(dāng)選擇二維路面時，采用點追隨法。所謂點追隨法就是假設(shè)在輪胎和路面之間只有一個接觸點，該接觸點是輪胎平面與路面交叉線相切的點，因此輪胎在仿真的過程中，輪胎接觸力方向始終與路面垂直，由于理論的原因，點追隨法不能得到正確的縱向力曲線。而選擇三維路面時，接觸點不是一個單一的點而是一個區(qū)域，得到輪胎等效的接觸點和垂直撓度，軟件就會將輪胎自動默認圓柱體，因此后面所建立的路面都采用三維路面。 具體輪胎特性參數(shù) [22]如 表 示。 表 胎特性參數(shù) of 參數(shù)名稱和單位 前輪參數(shù)數(shù)值（前 /后） 車前后輪自由半徑（ 100/80 輪胎斷 面寬（ 60/50 扁平率 向剛度（ N/ 300 縱向滑移剛度（ N/ 10000 側(cè)偏角剛度（ N/ 1200 外傾角剛度（ N/ 800 徑向阻尼系數(shù) 動阻力矩系數(shù) 摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù) 量（ X、 Y 軸轉(zhuǎn)動慣量 ( 2kg ) Z 軸轉(zhuǎn)動慣量 ( 2kg ) 2/1 ，輪胎文件都有其固定的格式。在創(chuàng)建輪胎文件之前務(wù)必要了解文件的格式。 胎文件分為 6 個數(shù)據(jù)塊，結(jié)合本文輪胎的具體參數(shù)，即2 電動代步車機械系統(tǒng)模型的建立與分析 11 可編制輪胎文件，并要把文件保存為 式。之后，點擊力庫的輪胎（ 系統(tǒng)就會出現(xiàn)創(chuàng)建輪胎模型的對話框，填寫輪胎的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量，并按照提示調(diào)用需要的輪胎文件盒路面文件，并選擇一個 作為輪胎的連接點，且將該點的 Z 軸定義為輪胎旋轉(zhuǎn)方向，輸入輪胎的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的等信息，即可創(chuàng)建所需輪胎模型。 面譜的建立 在 很多 工程分析中 ， 介紹 許多 生成路面不平度時域模型 的方法 ：濾波白噪聲生成法（線性濾波法），基于有理函數(shù) 型的離散時間隨機序列生成法，根據(jù)隨機信號的分解性質(zhì)所推演的諧波疊加法（也稱頻譜表示法），以及基于冪函數(shù)功率譜的快速 變換生成法等 [23][24][25]。 在以上的方法中 , 諧波疊加法 [26]是比較 常用的方法之一 ， 非常適用于生成國際標準 路譜時域模型。 雖然 諧波疊加法 有 計算量 較大的缺點 ，但 是 該方法理論嚴密、算法 簡便， 是 非常好的 頻域模型轉(zhuǎn)換方法。因此，本文 用 諧波疊加法 創(chuàng)建隨機 路面頻域模型。 不平的路面是由一系列三角形單元組合成的一個三維表面。原理圖如圖 字 1、 2、 3 等表示節(jié)點（ 編號 ，這些節(jié)點的 x、 y 坐標 都 滿足一定的規(guī)律， z 坐標 用來 表示路面的寬度；由這些節(jié)點 有規(guī)律的 組成路面單元（ 再在路面 文件 里設(shè)置靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)， 這樣一來 就能模擬真實的路面。 圖 面生成原理 of 12 由于需要搭建不同的實驗路面，所以要建立許多自定義節(jié)點。在 D 路面譜，將里面的參數(shù)按照模板修改以后，可以生成所需要的路面，但是顯示不出來，仿真的時候很不直觀、測量結(jié)果有些也不真實。所以，創(chuàng)建所需要的 3D 路面譜非 常必要。 創(chuàng)建路面的步驟： ① 在三維軟件 建立路面 3D 模型，注意坐標系的選取。